автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Разработка технологии газификации местных биотоплив для систем распределенной генерации энергии Афроазиатского региона

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1 МИРОВОЙ ОПЫТ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМ

РЕГИОНАЛЬНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ НА БИОМАССЕ.

1.1 Современные тенденции развития топливной энергетики.

1.1.1 Изменение структуры топливо - энергетического баланса.

1.1.2 Потенциал развития «зеленой» энергетики Афроазиатского региона (на примере Ирака).

1.1.3 Развитие распределенной генерации и либерализация энергетических рынков.

1.1.4 Эффективность современных технологий РГЭ.

1.2 Современные технологии энергетического использования биомассы.

1.2.1 Сжигание биомассы на паросиловых ТЭС.

1.2.2 Использование биомассы в когенерационных энергоустановках.

1.2.3 Энергоустановки с газификаторами плотного слоя биомассы и ДВС.

1.3 Энергетические и экологические характеристики работы ТЭС-ДВС на биомассе.

1.3.1 Энергетические характеристики.

1.3.2 Экологические характеристики.

1.3.3 Нормирование выбросов.

1.3.4 Способы уменьшения выбросос.

1.4 Подготовка топливного генераторного газа к использованию в когенерационных энергоустановках.

1.4.1 Требования к качеству синтетического топливного газа.

1.4.2 Снижение содержания смол и сажи методами газоочистки.

1.4.3 Получение кондиционного силового газа внутриреакторными методами.

Выводы и задачи исследования.

2 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ И УСТАНОВКИ.

2.1 Свойства исследуемых топлив.

2.2 Экспериментальные установки.

2.3 Порядок проведения опытов и исследуемые параметры.

2.4 Оценка погрешностей экспериментов

3 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И СПЕЦИФИКИ ПРОЦЕССОВ ПИРОЛИЗА И ГАЗИФИКАЦИИ ОДИНОЧНОЙ ЧАСТИЦЫ.

3.1 Определение влияния температуры и времени прокалки на выход смолистых веществ из топлива.

3.2 Визуальные наблюдения за процессом термоудара при температурах выше 600 °С.

3.3 Исследование кинетики прогрева индивидуальной частицы в условиях термоудара.

3.4 Перегрев топливных частиц в условиях термоудара.

4 ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕЦИФИКИ ПИРОЛИЗА И ГАЗИФИКАЦИИ

ГРУППЫ ЧАСТИЦ В СЛОЕ.

4.1 Исследование кинетики прогрева группы частиц.

4.2 Сжигание неочищенного пиролизного газа в вихревой горелке. 4.3 Разработка технологии получения кондиционного газа для малой ТЭС-ДВС на базе внутриреакторных процессов.

5 РАЗРАБОТКА УПРОЩЕННОЙ МЕТОДИКИ ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА ГАЗОГЕНЕРАТОРА ОБРАЩЕННОГО ТИПА И ДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ

МАЛОЙ ТЭС-ДВС НА БИОМАССЕ

5.1 Определение эксплуатационных характеристик опытно-промышленной ТЭС-ДВС с газификатором обращенного процесса.

5.2 Разработка упрощенной методики теплового расчета газогенератора обращенного типа и двигателя для малой

ТЭС-ДВС на биомассе.

Энергия - это материальная основа развития человеческой цивилизации. С ее рациональным использованием связано будущее Земли.

Прогнозы развития мирового энергохозяйства предсказывают Ф опережающие темпы роста потребления электроэнергии по сравнению с темпами роста энергопроизводства. В настоящее время в мировой практике сформировались следующие основные тенденции в энергопроизводстве.

Изменение структуры топливно-энергетического баланса в сторону использования твердых топлив: углей, местных ТЭР, биомассы и отходов, а так же использование нетопливного потенциала. Уголь значительно уступает природному газу и нефти по затратным и экологическим показателям. Поэтому, в частности, за последнее столетие в общем объеме энергопотребления произошло резкое снижение доли угля и другого твердого топлива.

Однако, в связи с сокращением ресурсов нефтяного и газового сырья энергетическое и технологическое использование твердых горючих # ископаемых за рубежом вновь расширяется, начиная с 70-хх годов. Экологически небезопасные виды твердого топлива типа сернистых углей, сланцев находят применение преимущественно в сфере большой энергетики, где экономически целесообразно использование материалоемких и дорогостоящих технологий снижения вредных выбросов. В сфере малой распределенной энергетики значительная роль принадлежит возобновляемым топливам растительного происхождения (биомасса), как наиболее экологичным и позволяющим использовать упрощенные методы очистки газа.

Изменение структуры энергоснабжения - развитие системы распределенной генерации энергии, действующей наравне со станционной энергетикой на уровне распределительных сетей. Централизованное производство вторичных энергоносителей, являясь основным системообразующим способом, остается при правильной его организации и ® использовании современных технических решений наиболее экономически эффективным в масштабах крупного промышленного региона и страны в целом. Оба способа производства энергии - централизованный на крупных станциях (станционная энергетика) и распределенный на местных (завод, поселок, коттедж) - будут симбиотически существовать в мировом сообществе в ближайшей перспективе.

Для стран и территорий с экспортно ориентированной экономикой (Ирак, в России - Ханты-Мансийский автономный округ) это позволит повысить уровень жизни населения с одновременным высвобождением для экспортных поставок кондиционного топлива в размере 1-2 т.у.т./ (чел-год). ® Для стран и территорий с импортно ориентированной экономикой (Япония, в

России - регионы, обеспечиваемые Северным завозом) расширение использования МТЭР позволит ■ снизить энергозависимость, повысить энергообеспеченность и энергобезопасность территории. Для развивающихся стран Афроазиатского региона это часто единственный реальный путь развития региональной энергетики.

Возобновляемая энергия биомассы занимает важное положение среди МТЭР и играет решающую роль в мировой энергетической структуре.

Твёрдые топлива (уголь, биомасса) выступают в качестве «моста в будущее» мировой цивилизации, обеспечивая плавный переход от топливной энергетики к другим, новым, недоступным пока человечеству видам энергии.

Изменение технологии энергетического использования твёрдых топлив,-развитие современных чистых твердотопливных технологий (угольных и др.) на базе жидкотопливных и газотопливных энергетических установок ГТЭУ (ПГУ, ДВС, ГТУ, ТЭ) с конкурентоспособными показателями. В США, Европейском союзе, Японии, странах Юго-Восточной Азии выполняются крупные межнациональные и национальные программы по внедрению экологически чистых технологий энергетического использования твёрдых топлив в газовом силовом цикле.

Одним из основных направлений развития «зеленой» энергетики является использования биомассы для выработки тепловой и электрической энергии в когенерационных газотопливных энергоустановках с внутрицикловой газификацией. Газификация биомассы представляет конкурентоспособную альтернативу методу прямого сжигания топлива для выработки электроэнергии.

Основной проблемой при использовании биомассы для производства энергии в газотопливных энергоустановках является значительное смолосодержание генерируемого газа , поскольку смолы , содержащиеся в газе, приводят к быстрому старению смазочного масла, закоксованию, коррозии и износу двигателя. Поэтому к содержанию смол в очищенном газе, предназначенном для использования в газоиспользующей энергоустановке, предъявляются жесткие требования.

Выделяют две основные группы методов снижения забалластирования газа смолами:

• первичные (крекинг смол в газогенераторе под воздействием температуры, в том числе с использованием катализатора в газифицируемом слое);

• вторичные (очистка продукт-газа после газогенератора в специальных газоочистных устройствах, в том числе с использованием катализатора в отдельном аппарате плотного или кипящего слоя).

К вторичным методам относится использование оборудования, отработанного в станционной энергетике: мокрые скрубберы, электрофильтры, зернистые и рукавные фильтры, циклоны, выносные каталитические реакторы. Вторичные методы удаления смол из продукт-газа обладают высокой эффективностью (~100% газоочистки), однако сложны в эксплуатации, капиталоемки (для малых установок) и часто экологически несовершенны.

Первичные методы в настоящий момент в мире интенсивно изучаются и внедряются с нарастающим положительным эффектом. Однако, судя по » динамике изменений и получаемым результатам, потенциал по разработке первичных методов сохраняется значительный. В частности, практически не разработаны процессы газификации специфических биотоплив с ухудшенными теплотехническими характеристиками типа косточковой биомассы Афроазиатского региона.

Актуальность темы. Настоящая работа позволяет создавать надежные компактные когенерационные мини-ТЭС-ДВС на местном биотопливе при сниженных массогабаритных и улучшенных эксплуатационных характеристиках по сравнению с мировыми и российскими аналогами. > Особенно актуальны вопросы повышения эффективности и надежности малых

ТЭС на высокосмольных топливах типа косточковой биомассы Афроазиатского региона. Наиболее перспективным путем решения этой проблемы является применение первичных методов очистки топливного газа, разработанных на основе системного анализа и декомпозиции процессов газификации.

Работа выполнена в соответствии с программой ЕС в области биоэнергетики «РР-6-Устойчивые энергетические системы», ФЦП РФ «Энергоэффективная экономика» и Программой развития ветроэнергетики ОАО РАО «ЕС России», Программой обновления основного оборудования ТЭС РАО «ЕЭС России» на период до 2010 года и направлена на разработку высокоэффективных газификационных когенерационных энергоустановок малой мощности на базе ДВС. для биотоплив со специфическими ф теплотехническими характеристиками.

Цель настоящей работы состоит в повышении эффективности производства газообразного топлива из биомассы Афроазиатского региона для выработки электрической и тепловой энергии в когенерационных энергоустановках с внутрицикловой газификацией.

Задачи исследования

1 Провести исследование теплотехнических свойств и специфики процессов пиролиза и газификации косточковой биомассы Афроазиатского региона.

2 Разработать элементы многостадийной технологии и алгоритм внутриреакторных процессов получения низкосмольных и малосажистых горючих газов из косточковой биомассы для когенерационных газопоршневых энергоустановок малой мощности с однокорпусным газификатором.

3 Разработать и апробировать на опытно-промышленной установке упрощенную методику теплового расчета газогенератора обращенного типа и двигателя для малой ТЭС-ДВС на биомассе с газопоршневым двигателем

4 Дать рекомендации по разработке гибкой и надёжной газопоршневой энергоустановки на косточковой биомассе, характеризуемой повышенными энергетическими и экологическими характеристиками и пониженной капиталоёмкостью.

Достоверность н обоснованность результатов подтверждается применением современных методов системного анализа, соответствующей точностью систем измерений контролируемых параметров, удовлетворительным совпадением тестовых экспериментальных данных, полученных на испытательных стендах и промышленном оборудовании, с общеизвестными результатами, получением ряда данных на сертифицированном оборудовании по гостированным методикам.

Научная новизна:

1 Осуществлен анализ местных топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) Афроазиатского региона на примере Ирака, определены возможности их применения в когенерационных энергоустановках.

2 Выполнен детальный анализ способов использования новых элементов технологии газификации биотоплив в мировой энергетике.

3 Выявлена специфика энергетических и экологических характеристик работы энергоустановок с газовыми двигателями на биотопливе.

4 Получены теплотехнические характеристики косточковой БМ -типичного представителя возобновляемых МТЭР Афроазиатского региона.

5 Выявлены особенности пиролиза и газификации косточковой БМ.

6 Опробована методика декомпозиции термохимических процессов в маломасштабной установке с плотным зернистым слоем.

7 Разработан и апробирован в лабораторном и полупромышленном масштабе алгоритм низкосмольной малосажистой газификации косточковой БМ.

Практическая значимость

1 Разработан универсальный лабораторный стенд с автоматизированной системой контроля, регулирования, сбора и обработки данных для исследования многоступенчатых процессов термохимической подготовки БМ к сжиганию в газоиспользующей установке, предназначенный, в том числе, для использования в учебном процессе.

2 Разработана технология малосмольной газификации высокосмольной косточковой биомассы.

3 Разработана конструкция однокорпусного газификатора косточковой БМ с глубокой конверсией углеводородов и сажи.

4 Выявлены экологические проблемы работы газопоршневой энергоустановки на генераторном газе.

5 Разработана упрощенная методика теплового расчета газогенератора обращенного типа и двигателя для малой ТЭС-ДВС на биомассе

Реализация. Полученные данные использованы в ОАО «УРАЛТРАНСГАЗ», ПО «Энергогазремонт»; Организации по охране окружающей среды Киркукской области (Ирак); ООО Уральский «дизель-моторный завод».

На защиту выносятся:

1 Методика лабораторных исследований и результаты.

2 Результаты исследования теплотехнических характеристик косточковой биомассы.

3 Результаты исследования особенностей пиролиза и газификации косточковой биомассы.

4 Результаты сравнительного анализа термохимических процессов косточковой биомассы и топлив других видов биотоплив.

5 Технология низкосмольной малосажистой газификации в однокорпусной установке.

6 Методика упрощенного теплового расчета газогенератора обращенного типа и двигателя для малой ТЭС-ДВС на генераторном газе из биомассы.

Личный вклад автора состоит в формировании основных предпосылок исследования и разработке методик анализа, в непосредственном проведении комплекса исследований и обобщении их результатов, в проведении стендовых испытаний традиционного и вновь разрабатываемого газогенератора и в разработке способа подготовки и первичной очистки генераторного газа для использования в энергоустановке с газовым двигателем.

Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы обсуждены и доложены на: IV Всероссийском совещании-выставке по энергосбережению (г. Екатеринбург, 5-9 апреля 2004 г.), Шестой всероссийской конференции «Экологические проблемы промышленных регионов» (г. Екатеринбург, 10-12 марта 2004 г.), Второй российской национальная конференция по теплообмену «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках» (г. Москва, 15-17 марта 2005 г.), V Всероссийском совещании-выставке по энергосбережению (г. Екатеринбург, 21-23 марта 2005 г.), Всероссийском молодежном научном симпозиуме

Безопасность биосферы» (г. Екатеринбург, 4-5 мая 2005 г.), 3-ем Международном Симпозиуме «Горение и плазмохимия» (г. Алматы, 24-26 сентября 2005 г)., IV семинаре ВУЗов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике (г: Владивосток, 2005 г.), 15-ой Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика Леонтьева А.И. (г. Калуга, 2005 г.), 4-ой Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов» (г. Благовещенск, 2005 г.), VI Всероссийском совещании-выставке по энергосбережению (г. Екатеринбург, 21-25 марта 2006 г), международном научном семинаре «Современные технологии горения и аэротермодинамики» (г.Киев, Украина, 15-19 мая 2006 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликована 41 печатная работа, в том числе 13 статей в реферируемых изданиях.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 163 наименований и приложений. Общий объем диссертации 155 страниц, в том числе 81 рисунков, 35 таблиц.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1 Во всех странах мира, вне зависимости от уровня развития производительных сил, делается заметный упор на развитие региональной компоненты энергоснабжения, создание высокоэффективных маломасштабных газоиспользующих энергоустановок на местных (преимущественно возобновляемых) видах топлив с унифицированными свойствами.

2 В качестве основных проблем, сдерживающих широкое применение газоиспользующих энергогенерирующих мощностей в региональном масштабе, являются проблемы получения и использования кондиционного горючего газа. Из них решение первой группы проблем связано, прежде всего, с технологическими приемами и в. существенной мере определяет энергетическую и экономическую эффективность установки в целом.

3 По теплотехническим свойствам косточковые ТЭР Ирака характеризуются как энергетическое теплоплотное биотопливо со значительным содержанием высококипящих (~ 400 °С) смолистых веществ, наличие которых формирует специфику их газификации (повышенная энергоемкость и длительность процесса пиролиза, взрывной характер выхода летучих, высокая задымленность (смола, сажа) продуктов газификации и др., что усложняет их использование по сравнению с близкими по теплоплотности стандартным пелелтированным топливом.

4 Наиболее эффективными способами получения кондиционных по смоло- и сажесодержанию горючих газов из БМ для газоиспользующих энергоустановок являются первичные внутриреакторные методы.

5 Осуществление на основе системного анализа разумной декомпозиции подпроцессов в разработанном на базе полученных данных реакторе с целенаправленным комбинированием последовательных и параллельных стадий их протекания позволяет значительно понизить на выходе из реактора содержание смол и сажи и получить горючий газ, пригодный для сжигания в газоиспользующих энергоустановках.

6 Отказ от традиционной вторичной системы мокрой газоочистки, важный для стран Афроазиатского региона, позволяет исключить использование воды на промывку газа до 2,5-3 л/нм3, снизить на 85% расходы электроэнергии на собственные нужды, снизить на 50-60% или с 13 кг/кВт до 7 кг/кВт установленной электрической мощности материалоемкость нестандартного оборудования.

1. Надир С. М. Шареф, Рыжков А.Ф. Энергетическое использование биотоплив. Сборник трудов IV отчетной конференции молодых ученых и аспирантов ГОУ ВПО УГТУ-УПИ за 2003. С.280-281.

2. Энергетика XXI века: условия развития, технология, прогнозы/ Под ред. Н.И. Воропая, Новосибирск: «Наука», 2004. 386с.

3. Suresh P. Babu Thermal Gasifikation of Biomass // IEA Bioenergy website: www.forestresearch.co.nz/ieabioenergy.

4. Уилсон К.Л. Уголь- «мост в будущее». М.: Недра, 1985.

5. Bhattacharya S. С. Biomass energy in Asia: a review of status, technology and policies in Asia // Energy for Sustainable Development, Volume VI, №. 3 September 2002, pp.5-26.

6. Wang Mengjie, Ding Suzhen A potential renewable energy resource development and utilization of biomass energy//http://www.fao.org/docrep/T4470E/t4470e00.htm#Contents.

7. David Fouquet Forum Weighs "Asia-Europe Cooperation in Renewable Energy" // ASEF RES Conference in Stockholm 26th to 28thof August 2004 with EREF participation.

8. B. Knight, A. Westwood "Global biomass resources for heat & electricity generation and capital expenditure ■■ forecasts" // www.innovationmanagement.co.uk/romeMay04.pdf.

9. Omer, M. and Y. Fadalla (2003), "Biogas energy technology in Sudan", Renewable Energy, 28, pp. 499-507.Bridgwater, A.V. (1994), "Catalysis in the thermal biomass conversion", Appl. Catalysis a Gen., 116, pp. 5-47.

10. Tchouate Heteu P. M., Bolle L. Impacts of bioenergy use on a sustainable energy in Cameroon // Annexe 2 : Article publie et presente a la VII World Renewable Energy Congress, Cologne 2002.

11. Леса, поля и земли Ирака// Earth Trends Country Profiles интерактивные Материалы http://earthtrends.wri.org.

12. Надир Саман М. Шареф, Рыжков А.Ф.Исследование нового способа газификации твердых топлив в мини ТЭЦ-ДВС для Ирака// Сборник статей. Научные труды VIII отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО УГТУ-УПИ. Екатеринбург 2005 г. С.439-441.

13. Report on Applicability of European Technologies in ASEAN Market / EC-ASEAN COGEN Programme (COGEN 3), February 2004.//www.cogen3 .net/doc/applicability/ ApplicabilityoffiuropeanTechnologiesinASEAN.pdf.

14. Energy and Resources— Iraq// earthtrends.wri.org/pdflibrary/ countryprofiles/enecou368.pd.

15. Богусловский А.Б. Основные экономические показатели Ирака в 90-е годы // Интернет-сайт www.iimes.ru/rus/2002.html-15k.

16. Профили страны Организации ООН по вопросам продовольствия и сельского хозяйства ООН, Сектор Лесоводства: http://www.fao.org/countryprof iles/index.asp?subj=5&iso3=IRQ.

17. Carre J., Lacrosse L., Schenkel Y. (1989) Production d'energie a partir de la Biomasse des residus agricoles et agro-alimentaire, Animales de Gembloux, 95, 199-233.

18. Aryadi Suwono "Indonesia's Potential Contribution of Biomass in Sustainable Energy Development" // Материал сайта www.limtec.co.jp/apcchecheck/pdf/6006.pdf.

19. Реформирование компании ОАО РАО «ЕЭС»/ NETA - Новый порядок торговли электроэнергией в Англии и Уэльсе// www.rao-ees.ru/ru/refonnirig/foreign/mo/show.cgi7neta.htm.

20. Whitney Colella. Implications of electricity liberalizations for combined heat and power (CHR) fuel cell system (FCSs): a case study of the United Kingdom, Journal of Power Sources 106. 2002. pp 397-404.

21. Кудрин Б.И. Введение в технетику. 2 изд. Томск: Изд-во Томск, ун-та, 1993 -552с.

22. Гнатюк В.И., Северин А.Е., Двойрис Л.И., Барабанов С.В. Аппроксимация ранговых распределений техноценозу (опыт применения пакета MathCAD -2001)// Электрика. 2003. №2. С. 41-43.

23. Гнатюк В.И., Северин А.Е., Двойрис Л.И., Барабанов С.В. Первичная обработка статистической информации по техноценозу (опыт применения пакета MathCAD -2001)// Электрика. 2003.№2. С. 32-35.

24. Орфани М.П., Аксельрод Э.М., Гладырев С.П. Передвижные электростанции с поршневыми двигателями внутреннего сгорания. Учебное пособие. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2003. С.3-6.

25. Надир С.М., Жаргалхуу Л., Рыжков А.Ф. Теплогидравлическая эффективность промышленных турболизаторов в переходных режимах течения теплоносителя/ЯТромышленная энергетика. 2006. № 4. С. 44-50.

26. Tillman D. Bioraass cofiring; the technology, the experience, the combustion consequences // Biomass and bioenergy. 2000. - v. 19, № 6. - pp. 365 - 384.

27. Wiltsee G. Lessons learned from existing biomass power plants // NREL / SR570-26946 2000. - 144 p.

28. Жовмир H.M., Гелетуха Г.Г., Слёнкин M.B. Совместное сжигание биомассы и угля на электрических станциях зарубежных стран // Первая в Украине международная конференция "Энергия из биомассы".23-26 сентября 2002 г., Киев, Украина CD диск.

29. Per Ottosen, Lars Gullev "Avedore unit 2 the world's largest biomass-fuelled CHP plant" / News from DBDH 3/2005 // www.dbdh.dk/pdf/ren-energy-pdf7avedore-unit-2.pdf.

30. Dinkelbach, I., Kaltschmit, M., Gasification of Biomass in Europe Slate-of-the-Art and Prospects,// Proceedings, 9th European Bioenergy Conference, Copenhagen, 1996, Vol. 2, pp. 1382-1387.

31. Small scale wood gas CHP- BedZED Project // OPET RES-e- NNE5/37/2002 Boosting Local Technology an OPET action to support the objectives of the RES-e Directive , www.exusenergy.com. '

32. KARE ENERGY SYSTEMS b.v. , overview of the Reinders Almelo company// E-mail: kara@kara.nl.

33. Ron Bailey ,Sr. А 4 MWe biogas engine plant fueled by the gasification of olive oil production wastes (sansa)// 1st International Ukraenian confrance on BIOMASS FOR ENERGY, 23-26 September, 2002, Kyiv ,Ukraine.

34. Thermal Gasification of Biomass / Annual Report 1999, IEA Bioenergy: ExCo: 2000:01.//www.AnnualReportl999fiillversion.pdf.

35. John G. Cleland, Carol R. Purvis /Fourth Biomass Conference of the Americas August 29 September 2, 1999 Oakland, С A USA.

36. Profit from your waste / Malahat Energy Corporation (MEC) Canada // www.agga.ca/projects/mhat.pdf.

37. Кубиков В.Б., Королев B.E., Орлов Е.И. Оценка эффективности использования энергетического оборудования, работающего на древесных отходах.// Лесная промышленность. 2002.№ 2.С 28-30.45